A Falha de materiais de engenharia

Universidade Candido Mendes

UCAM

Relatório de Introd. à Tecnologia e Ciência dos materiais

Falhas

Francisco Carlos

Priscilla Almeida

Raphaela Carvalho

Thayane Ribeiro

Thayanne Santos

Niterói 2014

• Falhas

     A falha de materiais de engenharia é quase sempre um evento indesejável por diversos motivos, que incluem vidas humanas que são colocadas em risco, perdas econômicas e a interferência com a disponibilidade de produtos e serviços. Embora as causas das falhas e o comportamento dos materiais possam ser conhecidos, a prevenção das falhas é difícil de ser garantida. As causas usuais são a seleção e o processamento dos materiais de uma maneira não apropriada e um projeto inadequado do componente ou sua má utilização.

     É responsabilidade do engenheiro antecipar e planejar considerando possíveis falhas e, no caso de uma falha de fato ocorrer, avaliar a sua causa e então tomar as medidas de prevenção apropriadas contra futuros incidentes.

     Nesse contexto, é importante compreender a mecânica das diferentes modalidades de falha – isto é, a fratura, a fadiga e a fluência – além de estar familiarizado com os princípios apropriados de projeto que podem ser empregados para a prevenção de falhas durante o serviço.

• Fraturas

     Qualquer processo de fratura envolve duas etapas – formação e propagação de trincas em resposta à imposição de uma tensão de natureza estática. A fratura é a separação de um corpo em duas ou mais partes quando submetido à um esforço mecânico e em temperaturas relativamente baixas à temperatura de fusão do material. A tensão aplicada pode ser de tração, compressão, cisalhamento ou torção. Para os materiais de engenharia são possíveis duas modalidades de fratura: dúctil e frágil.

1. Fratura dúctil

     Ocorre após extensa deformação plástica, o processo desenvolve-se de forma relativamente lenta à medida que a trinca se propaga, este tipo de trinca é denominado estável porque ela para de se propagar a menos que haja um aumento da tensão aplicada no material.

     Na fatura dúctil, a presença de deformação plástica dá um alerta de que a fratura é iminente, permitindo que medidas preventivas sejam tomadas.

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1. Fratura frágil

     A fratura frágil ocorre sem qualquer deformação plástica e pela rápida propagação de uma trinca. A direção do movimento da trinca é aproximadamente perpendicular à direção da tensão de tração aplicada e produz uma superfície de fratura relativamente plana. A partir de um certo ponto, a trinca é dita instável porque se propagará mesmo sem aumento da tensão aplicada sobre o material.

     Nos materiais cristalinos corresponde à quebra sucessiva das ligações atômicas ao longo de um plano cristalográfico característico, chamado plano de clivagem.

Este modo de fratura é característico de metais que apresentam algum impedimento para o escorregamento de discordâncias alta resistência mecânica.

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• Mecânica da Fratura

     A fratura frágil de materiais normalmente dúcteis demonstrou a necessidade de uma melhor compreensão dos mecanismos das fraturas. Extremos esforços de pesquisas ao longo das últimas décadas levaram à evolução do campo da mecânica da fratura. Essa disciplina permite a quantificação das relações entre as propriedades dos materiais, o nível de tensão, a presença de defeitos geradores de trincas e os mecanismos de propagação de trincas.

Fratura transgranular: Trinca passa através os grãos. A superfície de fratura tem textura facetada devido a diferentes orientações dos planos de clivagem dos grãos.

Fratura intergranular: A propagação da trinca é ao longo dos contornos de grãos. Os

contornos de grãos são mais fracos e geralmente segregam impurezas, etc.

     Parte da engenharia que tem como objetivo promover respostas quantitativas para problemas específicos relacionados com a presença de trincas nas estruturas. Seu objetivo é determinar se um defeito tipo trinca irá ou não levar o componente a fratura catastrófica para tensões normais de serviço permitindo, ainda, determinar o grau de segurança efetivo de um componente trincado. Seu grande mérito é a de possibilitar ao projetista valores quantitativos de tenacidade do material permitindo projetos que aliem segurança e viabilidade econômica.

     As resistências à fratura medidas para a maioria dos materiais frágeis são significativamente menores do que aquelas previstas através dos cálculos teóricos baseados nas energias das ligações atômicas. Essa discrepância é explicada pela presença de defeitos ou trincas muito pequenos, microscópicos, que sempre existem em condições normais na superfície e no interior do material. Esses defeitos são um fator negativo para resistência à fratura, pois uma tensão aplicada pode ser aumentada ou concentrada na extremidade do defeito, onde a magnitude dessa concentração depende da orientação e da geometria da trinca.

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Mostra “marcas de sargento” em forma de “V” que são características de uma fratura frágil.

• Tenacidade

     A tenacidade é uma medida da habilidade de um material em absorver energia até a sua fratura. Fatores importantes para definir esta propriedade é a forma geométrica do corpo de prova, bem como a maneira com que a carga é aplicada. Para uma elevada taxa de deformação e a presença de um entalhe no corpo de prova, a tenacidade ao entalhe é verificada com o uso de um ensaio de impacto. A tenacidade a fratura é também uma propriedade indicativa da resistência do material a fratura quando este possuir uma trinca.

     Para situações onde o processo é estático a tenacidade pode ser avaliada a partir dos resultados de um ensaio tração-deformação em tração. Ela representa a área sob a curva obtida até o ponto de fratura. As unidades para a tenacidade são as mesmas do que para as da resiliência (energia por unidade de volume do material). Para um material apresentar características tenazes, ele deve apresentar tanto resistência quanto ductilidade, e freqüentemente materiais dúcteis são mais tenazes do que materiais frágeis. Assim sendo, embora os materiais frágeis tenham maior limite de escoamento e maior limite de resistência a tração, ele possui menor tenacidade do que o material dúctil, em virtude da sua falta de ductilidade.

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